فناوری پرینت چهار بعدی چیست؟
در این مطلب ما فیلامنت های فناوری پرینت زیستی چهار بعدی را معرفی کرده ایم که مفهوم زمان را در پرینت سه بعدی ادغام می کند. این فناوری به عنوان بعد چهارم در تسهیل ساخت معماری های زیستی پیچیده کاربردی است. این ساختارهای پرینت زیستی چهاربعدی می‌توانند در طول زمان و با استفاده از مواد زیستی مختلف پاسخ دهنده به محرک‌ها به مجموعه ای از استراتژی‌های پرینت زیستی چهار بعدی از طریق تغییر شکل دست یابند.
علاوه بر این با خلاصه کردن کاربردهای پرینت زیستی 4 بعدی در زمینه مهندسی بافت استخوان این فناوری‌های نوظهور می‌توانند نیازهای پزشکی برآورده کنند. بحث‌های بیشتر در مورد چالش‌ها و دیدگاه‌های آینده به ما الهامات بیشتری در مورد کاربردهای گسترده این فناوری بدر زمینه زیست پزشکی می‌دهد.
با استفاده از فیلامنت های پاسخ دهنده به محرک‌ها می‌توان از پرینت زیستی 4 بعدی برای ساخت معماری فعال بیولوژیکی سه بعدی استفاده کرد. این فیلامنت ها قادر به تغییرات پیکربندی پویا در پاسخ به محرک‌های مختلف مورد نظر در طول زمان هستند. همچنین این فیلامنت ها محدودیت‌های پرینت زیستی سه بعدی را برطرف می‌کنند.
ساخت سازه های پرینتی با فیلامنت های واکنش دهنده به محرک ها امکان تغییر شکل و یا تنظیم عملکردی آنها را تحت محرک های خارجی فراهم می کند. در این مطلب فیلامنت پاسخ دهنده به محرک ها و توانایی حافظه خودآرایی آنها و کاربردهای آنها در پرینت زیستی 4 بعدی را معرفی میکنیم.
با توجه به نوع محرک ها برای معرفی روش پرینت 4 بعدی فیلامنت های هوشمند را می توان به فیلامنت های پاسخگو به محرک های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی دسته بندی کرد. که درمطالب آینده تمام این محرک ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد. در این مطلب نیز سعی خواهیم کرد محرک های فیزیکی را مورد بررسی قرار دهیم.
فیلامنت های پاسخگو به محرک های فیزیکی
فیلامنت واکنش دهنده به دما :
دما بیشترین محرک فیزیکی است که برای دستیابی به تغییر شکل در ساختارهای پرینت زیستی استفاده می شود. مجموعه ای از فیلامنت های مقاوم به حرارت بر اساس مکانیزم ژل شدن حرارتی توسعه یافتند.
هنگامی که دمای محیط کمتر از دمای محلول بحرانی است زنجیره های پلیمری فیلامنت حالت گسترش را اتخاذمی کنند. سپس به محلول تبدیل می شوند. با این حال انقباض زنجیره‌های پلیمری فیلامنت زمانی که دما بالاتر از دمای محلول بحرانی باشد فیلامنت را به حالت ژل تبدیل می‌کند.
این مکانیزم ها برای ساختن ساختار سلولی مورد استفاده قرار می گیرند. این ساختار که دولایه ای که به ترتیب تحت دمای کاهش یا افزایش تغییر شکل تاشو و باز شدنی برگشت پذیر را نشان می دهند. به عنوان مثال یک داربست تولیدی با فیلامنت پلی یورتان با حافظه و واکنش دهنده حرارتی را در نظر بگیرید. این داربست می تواند با تغییر دما و گذشت زمان در طول تغییر شکل دهد.
دمای تبدیل فیلامنت پلی یورتان 32 درجه سانتی گراد است . یک کرنش مکانیکی را می توان در طول فرآیند بازیابی شکل به سلول های دانه اعمال کرد. با استفاده از این دانه ها می توان رفتار سلول های روی داربست را هدایت کرد.
فیلامنت واکنش‌دهنده به رطوبت :
واکنش پذیری به رطوبت به طور گسترده در سیستم‌های طبیعی وجود دارد. جایی که گیاهانی مانند کاج و گندم از تغییرات رطوبتی برای ایجاد دگرگونی‌های ساختاری استفاده می‌کنند تا بذرهای خود را در شرایط مفید پخش کنند. این پدیده‌ها الهام بخش توسعه فیلامنت های پاسخ‌دهنده به رطوبت بوده‌اند. قطعات تولیدی با این نوع فیلامنت شکل و اندازه‌های خود را در طی فرآیندهای تورم و انقباض بر اساس تغییرات رطوبت تغییر می‌دهند.
فیلامنت های استر های استارولی سلولز(CSEs) همچنین می‌توانند برای ساخت فیلم‌های مقاوم به رطوبت و خود ایستاده استفاده شوند. در نتیجه جذب یا دفع مولکول‌های آب فیلم‌های CSE با درجه پایین جایگزینی استئاروئیل 0.3٪ با برچسب CSE0.3می‌توانند تا شوند یا باز شوند. این تحرکات نشان دهنده حرکات خمشی ریتمیک هستند. در حالی که CSE 3 (استئارویل 3٪) آبگریز است و خاصیت پاسخگویی به حرارت از خود نشان می دهد.این نوع پوشش می تواند حرکات خمشی با برگشت سریع و تغییر شکل پیاپی را در محلول انجام دهد.
نمونه ها
به عنوان مثال تغییر شکل خود به خودی یک یا دولایه زیست سازگار فیلامنت پلی اتیلن گلیکول متشکل از سلول با ویژگی‌های متورم شدن در محلول‌های آبی قابل مشاهده هستند. که مجموعه‌ای از ساختارهای هندسی ریزمقیاس آناتومیک را ایجاد می‌کنند. یک مشتق آزوبنزن کونژوگه با پلی اتیلن گلیکول را در نظر بگیرید که با آگارز ترکیب شود. این ترکیب می تواند یک فیلامنت زیستی جدید بسازد که قادر به تغییر شکل پس از تغییر رطوبت باشد.
این فناوری‌ها اولین نسخه‌های پرینت 4 بعدی را نشان می‌دهند. جایی که مفهوم ساختارهای چند لایه با طراحی آینده پرینت زیستی 4 بعدی با استفاده از مواد سازگار با رطوبت را به نمایش می گذارند.
با این حال محیط کشت سلول ها باید تحت رطوبت دائمی بالا و فشار اسمزی خواص نگهداری شود . بنابراین درجه تغییر شکل این فیلامنت ممکن است به دلیل محدودیت های رطوبت و فشار اسمزی محدود شود. این چالش ها را می توان با تنظیم حساسیت فیلامنت پاسخگو به رطوبت در محدوده استقامت سلولی برطرف کرد.
فیلامنت واکنش‌دهنده الکتریکی :
بیشتر فیلامنت های واکنش‌دهنده الکترونی فیلامنت های پلی‌الکترولیت هستند که می‌توانند تحت یک میدان الکتریکی خارجی متورم، منقبض یا جمع شوند. خواص این فیلامنت ها را می توان با جهت یا قدرت میدان الکتریکی تنظیم کرد.
این فیلامنت های زیستی رسانای الکتریکی می توانند بینش جدیدی در مورد کاربردهای زیست پزشکی و تحول دارو ارائه دهند. علاوه بر این برخی از فیلامنت های حاوی هیدروژل‌های رسانای الکتریکی مانند پلی پیرول پلی آنیلین و می‌توانند زیست سازگاری را از خود نشان دهند. همچنین می توانند قابلیت پرینت مطلوبی را از خود نشان دهند و پتانسیل پرینت زیستی 4 بعدی را داشته باشند.
به عنوان مثال یک هیدروژل الکترواکتیو رسانا از ترکیب فیلامنت پرینت سه بعدی با پلیمریزاسیون سطحی پلی پیرول تولید می شود. قطعات تولیدی با پرینت سه بعدی را می توان برای توسعه رابط های بیوالکترونیک جدید و دستگاه های پروتز عصبی استفاده کرد.
فیلامنت های زیستی واکنش دهنده بر کربن الکترو مانند فیلامنت های حاوی گرافن در سال های اخیر به عنوان ابزاری برای بررسی و کنترل سرنوشت سلول های بنیادی استفاده می شوند. همچنین آنها دلیل خواص مکانیکی منحصر به فردشان توجهات زیادی را به خود جلب کرده اند.
شیمی سطح و هدایت الکتریکی مطلوب که مزایای بیشتری برای مهندسی بافت عصبی دارند. نانوذرات این مواد پتانسیل استفاده به عنوان جوهر زیستی برای چاپ زیستی 4 بعدی را دارند.
به عنوان مثال فیلامنت حاوی هیدروژل ماکرو متخلخل مبتنی بر گرافن را در نظر بگیرید. قطعات تولیدی با این فیلامنت قادر به کنترل رهاسازی مولکول های کوچک تحت تحریک الکتریکی خاص از طریق تورم برگشت پذیر ژل هیبریدی است. علاوه بر این فیلامنت CNT ها خواص مکانیکی، الکتریکی و سیتو سازگار مطلوب را برای چاپ زیستی 4 بعدی نشان می دهند.
مثال دیگر می تواند این باشد که گروه Shin مواد CNT ها را در جوهرهای زیستی متاکریلوئیل ژلاتین و اسید هیالورونیک پخش کردند. آنها با این ترکیب به فیلامنت جدیدی برای ساخت حسگرهای زیستی تاشو و ساختارهای مهندسی بافت کاربردی دست پیدا کردند. مطالعات in vitro و in vivo نشان داد که قطعات پرینتی با فیلامنت نانوکامپوزیت های گرافن می توانند تمایز استخوانی سلول های بنیادی را به وضوح نشان دهند.
در نتیجه این نانو زیست مواد های مبتنی بر کربن و رسانای الکتریکی می توانند برای ساخت معماری های 4 بعدی پاسخ دهنده به محرک ها مورد استفاده قرار گیرند. همچنین آنها می توانند امکانات بیشتری برای بازسازی بافت عصبی و استخوانی فراهم کنند.
کلام آخر
در این مطلب سعی کردیم فیلامنت های پرینت زیستی چهار بعدی و محرک های آنها را مورد بررسی قرار دهیم. در مطالب بعدی نیز تلاش میکنیم انواع دیگر فیلامنت های پرینت چهار بعدی و محرک این فیلامنت ها را مورد بررسی قرار دهیم.